MATLAB与控制系统仿真.ppt

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1、MATLAB与控制系统仿真与控制系统仿真控制工程基础上机辅导u MATLAB作为线性系统的一种分析和仿真工具，是理工科大学生应该掌握的技术工具，它作为一种编程语言和可视化工具，可解决工程工程、科学计算科学计算和数学学科数学学科中许多问题。u MATLAB建立在向量、数组和矩阵的基础上，使用方便，人机界面直观，输出结果可视化。u 矩阵是MATLAB的核心1 1、变量、变量 MATLAB中变量的命名规则命名规则是：（1）变量名必须是不含空格的单个词；（2）变量名区分大小写；（3）变量名最多不超过19个字符；（4）变量名必须以字母打头，之后可以是任意字母、数字或下划线，变量名中不允许使用标点符号.一

2、、变量与函数一、变量与函数2 2、数学运算符号及标点符号、数学运算符号及标点符号（1）MATLAB的每条命令后，若为逗号或无标点逗号或无标点符号，则显示命令的结果；若命令后为分号分号，则禁止显示结果.（2）“%”后面所有文字为注释.（3）“.”表示续行.3 3、数学函数、数学函数4 4、M M文件文件M文件建立方法：文件建立方法：1.在在Matlab中，点中，点:File-New-M-file2.在编辑窗口中输入程序内容在编辑窗口中输入程序内容3.点：点：File-Save，存盘，存盘，M文件名必须与函数名一致。文件名必须与函数名一致。Matlab的应用程序也以的应用程序也以M文件保存。文件保

3、存。MATLAB工作界面工作界面命令窗口命令窗口工作空工作空间间 历历史命令史命令 当前路径当前路径MATLAB编辑窗口编辑窗口设置设置断点断点取消取消断点断点单步单步运行运行进入进入函数函数跳出跳出函数函数退出退出调试调试继续继续运行运行程序控制语句程序控制语句循环语句MATLAB中的循环语句包括for循环和while循环两种。ufor循环的基本格式为：for 循环变量=起始值：步长：终止值循环体end 步长的缺省值是1。步长可以在正实数或负实数范围内任意指定，对于正数，循环变量的值大于终止值时，循环结束；对于负数，循环变量的值小于终止值时，循环结束。程序控制语句程序控制语句uwhilewh

4、ile循环的基本格式为：循环的基本格式为：while while 表达式表达式循环体循环体endend 若若表表达达式式为为真真，则则执执行行循循环环体体的的内内容容，执执行行后后再再判判断断表表达达式式是是否否为为真真，若若为为假假则则跳跳出出循循环环体体，向下继续执行，否则继续执行循环体。向下继续执行，否则继续执行循环体。lbreak：从循环体中跳出，并使循环结束从循环体中跳出，并使循环结束程序控制语句程序控制语句ifelseelseif语句if格式：if 逻辑表达式执行语句end 当当逻逻辑辑表表达达式式的的值值为为真真，则则执执行行该该结结构构中中的的执执行行语语句句内内容容，执执行行

5、完完后后向向下下继继续续执执行行，若若逻逻辑辑表表达达式式的的值值为为假假，跳跳过过结结构构中中的的执执行行语语句句继继续续向下执行。向下执行。程序控制语句程序控制语句if-else格式if 逻辑表达式执行语句1else执行语句2end 逻逻辑辑表表达达式式的的值值为为真真则则执执行行语语句句1 1，若若逻逻辑辑表表达达式式的的值值为为假假，则则跳跳过过执执行行语语句句1 1而而执执行行语语句句2 2，然然后向下执行。后向下执行。程序控制语句程序控制语句if-if-elseifelseif格式格式if 逻辑表达式1执行语句1elseif 逻辑表达式2执行语句2elseif 逻辑表达式n执行语句

6、n else执行语句el end 如如果果逻逻辑辑表表达达式式的的值值为为真真，则则执执行行语语句句1 1，若若逻逻辑辑表表达达式式的的值值为为假假，则则判判断断逻逻辑辑表表达达式式2 2的的值值，若若为为真真，则则执执行行语语句句2 2，否否则则向向下下执执行行,若若所有表达式均为假，执行语句所有表达式均为假，执行语句el el。程序控制语句程序控制语句switch语句switch语句的格式为：switch表达式（标量或字符串）case值1语句1case值2语句2case 值n语句notherwise语句owend表达式的值和哪种情况（case）的值相同，就执行哪种情况中的语句，如果都不同，

7、则执行otherwise中的语句。MATLAB程序编写及调试程序编写及调试MATLBA程序设计基本原则：l后面的内容是程序的注解，要善于运用注解使程序更具可读性。l养成在主程序开头用clear指令清除变量的习惯，以消除工作空间中其他变量对程序运行的影响。但注意在子程序中不要用clear。l参数值要集中放在程序的开始部分，以便维护。要充分利用MATLAB工具箱提供的指令来执行所要进行的运算，在语句行之后输入分号使其及中间结果不在屏幕上显示，以提高执行速度。MATLBA程序设计基本原则程序设计基本原则l程序尽量模块化，也就是采用主程序调用子程序的方法，将所有子程序合并在一起来执行全部的操作。l充分

8、利用Debugger来进行程序的调试（设置断点、单步执行、连续执行）l设置好MATLAB的工作路径，以便程序运行。图形绘制图形绘制l图形绘制l图形标注l图形控制plot（x,y）plot（y）plot（x1,y1,option1,x2,y2,option2,）plot控制控制l功能：在调用函数plot时，可以指定线型，颜色，和数据点的图标。l格式：plot（x，y，color_linestyle_marker）l说明：参数color_linestyle_marker 为一个字符串，由颜色、线型、数据点的图标组成。图形加注功能图形加注功能将标题、坐标轴标记、网格线及文字注释加注到图形上，这些函数

9、为：title 给图形加标题 xlable 给x轴加标注 ylable 给y轴加标注 text 在图形指定位置加标注 gtext 将标注加到图形任意位置 grid on(off)打开、关闭坐标网格线 legend 添加图例 axis 控制坐标轴的刻度例：t=0:0.1:10y1=sin(t);y2=cos(t);plot(t,y1,r,t,y2,b-);x=1.7*pi;1.6*pi;y=-0.3;0.8;s=sin(t);cos(t);text(x,y,s);title(正弦和余弦曲线);legend(正弦,余弦)xlabel(时间t),ylabel(正弦、余弦)gridaxis squar

10、e axis的用法还有：axis(xmin xmax ymin ymax)用行向量中 给出的值设定坐标轴的最大和最小值。如axis(-2 2 0 5)axis(equal)将两坐标轴设为相等 axis on(off)显示和关闭坐标轴的标 记、标志 axis auto 将坐标轴设置返回自动缺 省值线性和颜色字符定义表线性和颜色字符定义表字符定义字符定义线型线型字符定义字符定义线型线型-实线（默认）实线（默认）-虚线虚线:点划线点划线-.-.点连线点连线nonenone无线无线 字符定义字符定义颜色颜色字符定义字符定义颜色颜色y yyellowyellow（黄）黄）m mmagentamagent

11、a（洋红）洋红）c ccyancyan（青）青）r rredred（红）红）g ggreengreen（绿）绿）b bblueblue（兰）兰）默认默认w wwhitewhite（白）白）k kblackblack（黑）黑）图形绘制图形绘制l图形绘制l图形标注l图形控制 text(x,y,字符串)gtext(字符串)title(字符串)xlabel(字符串)，ylabel(字符串）图形绘制图形绘制l图形绘制l图形标注l图形控制figure（1）；figure（2）；figure(n)grid on；grid offhold on；hold offaxis（xmin xmax ymin ymax

12、）subplot（mnk）semilogx；semilogysubplot 子图分割命令调用格式：subplot(m,n,p)按从左至右，从上至下排列单窗口多曲线分图绘图单窗口多曲线分图绘图行列绘图序号绘图一般步骤绘图一般步骤l准备绘图需要的数据；l指定绘图的窗口或者区域；l调用基本绘图命令；l选择线型、颜色、数据点形状；l坐标轴控制，包括显示范围、刻度线、比例、网格线；l标注控制，包括坐标轴名称、标题、相应文本等。Simulink的操作的操作控制系统的时域分析q求取系统单位阶跃响应：step()q求取系统的冲激响应：impulse()控制系统的频域分析q求取系统对数频率特性图（波特图）：bo

13、de()q求取系统奈奎斯特图：nyquist()margin：求幅值裕度和相角裕度及对应的转折频率freqs：模拟滤波器特性nichols：求连续系统的尼科尔斯频率响应曲线（即对数幅相曲线）ngrid：尼科尔斯方格图根轨迹分析函数pzmap：绘制线性系统的零极点图rlocus：求系统根轨迹。rlocfind：计算给定一组根的根轨迹增益。sgrid：在连续系统根轨迹图和零极点图中绘制出阻尼系数和自然频率栅格。控制系统的数学描述与建模控制系统的数学描述与建模q控制系统的数学模型在控制系统的研究中有着相当重要的地位，要对系统进行仿真处理，首先应当知道系统的数学模型，然后才可以对系统进行模拟。同样，如

14、果知道了系统的模型，才可以在此基础上设计一个合适的控制器，使得系统响应达到预期的效果，从而符合工程实际的需要。q在线性系统理论中，一般常用的数学模型形式有：传递函数模型（系统的外部模型）、状态方程模型（系统的内部模型）、零极点增益模型和部分分式模型等。这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。传递函数描述 对线性定常系统，式中s的系数均为常数，且a1不等于零，这时系统在MATLAB中可以方便地由分子和分母系数构成的两个向量唯一地确定出来，这两个向量分别用num和den表示。num=b1,b2,bm,bm+1den=a1,a2,an,an+1注意：它们都是按s的降幂进行排列的。连续系统的传

15、递函数模型连续系统的传递函数如下：传递函数传递函数lMATLAB中创建传递函数（TF）对象创建两个行向量，按降阶顺序分别包含分子和分母多项式中s各次幂的系数使用tf命令建立TF对象 例如：numG=4 3;denG=1 6 5;G1=tf(numG,denG)或 G1=tf(4 3,1 5 6)零极点增益模型l零极点模型实际上是传递函数模型的另一种表现形式，其原理是分别对原系统传递函数的分子、分母进行分解因式处理，以获得系统的零点和极点的表示形式。v在MATLAB中零极点增益模型用z,p,K矢量组表示。即：vz=z1,z2,zmvp=p1,p2,.,pnvK=kv函数tf2zp()可以用来求传

16、递函数的零极点和增益。K为系统增益，zi为零点，pj为极点零极点增益模型l零点、极点、增益形式（ZPK）表示输入零点和极点列向量及标量形式的增益使用zpk命令建立ZPK对象 例：zG=-0.75;pG=-1;-5;kG=4;G2=zpk(zG,pG,kG)或者：G2=zpk(-0.75,-1;-5,4)传递函数传递函数两种形式互换两种形式互换lTF形式变换为形式变换为ZPK形式形式Gzpk=zpk(Gtf)zz,pp,kk=zpkdata(Gzpk,v)%获得获得G(s)的零点、极点和增益的零点、极点和增益lZPK形式变换为形式变换为TF形式形式Svv=tf(Sxx)nn,dd=tfdata(

17、Svv,v)%获得分子分母多项式系数获得分子分母多项式系数部分分式展开l控制系统常用到并联系统，这时就要对系统函数进行分解，使其表现为一些基本控制单元的和的形式。lresG,polG,otherG=residue(numG,denG)resG留数 polG极点 otherG 常数函数r,p,k=residue(b,a)对两个多项式的比进行部分展开，以及把传函分解为微分单元的形式。l向量b和a是按s的降幂排列的多项式系数。部分分式展开后，余数返回到向量r，极点返回到列向量p，常数项返回到k。lb,a=residue(r,p,k)可以将部分分式转化为多项式比p(s)/q(s)。举例：传递函数描述举

18、例：传递函数描述1）num=12,24,0,20;den=2 4 6 2 2;2）借助多项式乘法函数conv来处理：num=4*conv(1,2,conv(1,6,6,1,6,6);den=conv(1,0,conv(1,1,conv(1,1,conv(1,1,1,3,2,5);零极点增益模型：num=1,11,30,0;den=1,9,45,87,50;z,p,k=tf2zp(num,den)z=0 -6 -5p=-3.0000+4.0000i -3.0000-4.0000i -2.0000 -1.0000k=1结果表达式：部分分式展开：num=2,0,9,1;den=1,1,4,4;r,p

19、,k=residue(num,den)p=0.0000+2.0000i 0.0000-2.0000i -1.0000k=2r=0.0000-0.2500i 0.0000+0.2500i -2.0000结果表达式：应用应用MATLAB进行时域分析进行时域分析1.应用MATLAB分析系统的稳定性 在MATLAB中，可利用pzmap函数绘制连续的零、极点图，也可以利用tf2zp函数求出系统的零、极点，从而判断系统的稳定性。【例1】已知连续系统的传递函数为要求：(1)求出该系统的零、极点及增益；(2)绘出其零、极点图，判断系统稳定性。num=3,2,5,4,6;den=1,3,4,2,7,2;z,p,

20、k=tf2zp(num,den);disp(z)disp(p)disp(k)pzmap(num,den);title(Poles and zeros map);解:可执行如下程序：%This program create a transfer function and then finds/displays its poles,zeros and gainl程序执行结果如下：l屏幕显示：l z=0.4019+1.1965i p=-1.7680+1.2673i 0.4019-1.1965i -1.7680-1.2673i -0.7352+0.8455i 0.4176+1.1130i -0.735

21、2-0.8455i 0.4176-1.1130i -0.2991 K=3 同时,屏幕上显示系统的零、极点分布图，如图所示。可以看出系统有在s右半平面上的闭环极点，所以系统不稳定。系统零、极点分布图 2.应用MATLAB分析系统的动态特性 在MATLAB中，提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step,以及任意输入下的仿真函数lsim。【例2】已知典型二阶系统的传递函数为:其中n=6，绘制系统在=0.1,0.2,1.0,2.0时的单位阶跃响应。%Thisprogramplotsacurveofstepresponsewn=6;kosi=0.1,0.2,1.0,2.0;figure(1)holdo

22、nforkos=kosinum=wn.2;den=1,2*kos*wn,wn.2;step(num,den);end;title(StepResponse);holdoff解 可执行如下程序：从图中可以看出，临界阻尼响应具有最短的上升时间，响应速度最快；在欠阻尼的响应曲线中阻尼系数越小，超调量越大，上升时间越短。通常取=0.40.8。典型二阶系统单位阶跃响应曲线【例3】已知三阶系统的传递函数为 绘制系统的单位阶跃响应曲线。%This program plots a curve of step response for three order system clf num=100,200;den=1,1.4,100.44,100.04;h=tf(num,den);y,t,x=step(h);plot(t,y);xlabel(time),ylabel(amplitude);title(step response）;解 可执行如下程序：clf是清屏命令。程序y,t,x=step(h)是计算系统的阶跃响应，并把计算结果分别存于变量y和x中，对应的时间量存于变量t。从图中可以看出系统是稳定的。三阶系统单位阶跃响应曲线